TW200816613A - Synchronous rectification circuit for power converters - Google Patents

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200816613 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本毛明步及功率轉換器，且更明確地說涉及切換式功率轉換器的控 制電路。 【先前技術】 2參閱第一圖習知具有可改進功率轉換效率的同步整流器的功率 轉換器之電路圖。如圖所示，磁性裝置例如變壓器1G包含—次側繞組 Np和二_人側繞組队。開關15連接到一次側繞組Np以切換變壓器10和調 即功率轉換㈣輸出。二次側繞組①透過電關關Μ和電容器洲搞合 到功率轉換㈣輸出。電關關2()及其主體二極體25作為同步整流器 來操作。在磁化週期期間根據開ιη5的導通將電壓％施加到一次側繞 、、且Np 口此充私電流L將根據電壓％和一次側繞側繞組沁的電感係 數^產生。同日寸’在一次側繞組Ns產生磁化電壓％。一旦開關U斷開， Μ為1 ()的能量將通過二次側繞組Ns和電源開關2G傳送到功率轉換器 的輸出端。因此在去磁週期期間去磁電壓（輸出電壓v〇)將被施加到二 次側繞組⑷。放電電流Id將根據去磁賴和二次側餘Ns的電感係數而 產生。充電電流與放電電流Id可由方程式⑴⑵分別得知： lc = - —x TCHARGE ._V〇 ID = "；~ X TdISCHARGE 一

Ls (2) 、/、中Lp和Ls刀別為變壓1〇的一次側繞組Np和二次側繞組爪的電 感係數。TouRGE為磁化週期；且Tdischarge為去磁週期。 在連續電流減（〇Dntinuc)usGurTentmc)de ; (XM)操作巾，變壓器1〇 完全去磁之前關15將導通。在非連續電流模式㈤⑽也画 currentmode ; DCM)操作中，在下一切換週期開始之前變壓器10中的 5 200816613 能量完全去磁。 - 请參閱弟二A圖和第二B圖連續電流模式和非連續電流模式的波形 圖。如果在變壓器10完全去磁之後電源開關2〇沒有斷開，那麼一個反 向電流（reverse current)將透過電源開關20對電容器30進行放電。此 反向電流降低了功率轉換器的效率。為了避免反向電流，常規技術，例 如在Yang等人的美國專利第6, 995, 991號“PWM controller for synchronous rectifier of flyback power converter” 中所述，利用 電阻器40及控制電路45在放電電流ID低於臨界值時斷開電源開關20 , 的同步整流方法。以及，在連續電流模式操作期間，鎖相電路在下一切 ' 換週期開始之前斷開電源開關20。然而，電流感應電路和鎖相電路將產 生功率損失並增加系統的複雜性。另外，寬變頻系統（wide_variable frequency system)例如，5皆振式功率轉換器（res〇nant p〇wer converter) 將引起鎖相的問題。 【發明内容】 本發明提供一種同步整流電路，其適用於在固定頻率和/或可變頻率 下操作的功率轉換器。本發明之同步整流電路不需要電流感應電路或鎖 相電路。本發明之同步整流電路包括：電源開關，其麵合到變壓器（磁 v / ^衣置）以用於整流。讯號產生電路，用於根據變壓器的磁化電壓、變 壓器的去磁電壓和變壓器的磁化週期而產生控制訊號。控制訊號經耦合 以控制電源開關導通。控制訊號的啟用週期與變壓器的去磁週期相關。 另外，控制訊號根據磁化電壓的增加而增加。控制訊號根據變壓器的磁 化週期的減小而減小。除此之外，控制訊號回應去磁電壓的增加而減小。 兹為使貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效更有進一步 之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後。 【實施方式】 請參閱第三圖包含本發明同步整流電路較佳實關的切換式功率 轉換器之電路圖。此同步整流電路適用於在固定頻率和/或可變頻率下 6 200816613 心作的功率轉換$，且不需要電流感應電路或鎖相電路。切換式功率轉 換器中的電源開關20麵合到變麼器（磁性裝置）1〇以用於整流。切換 控制電路100根據懸器10的磁化電屋（magnetized voltage )Vs、去 磁電壓（demagnetized v〇itage)和磁化週期（卿州㈣生由輸 出端OUT輸出的控制訊號s”控制訊號合以導通（恤㈤）電源 開關20。其中控制訊號&的啟用週期（enaWe卿⑽與麵器的去磁 週期（demagnetized time)相關。 v m當ΓΓ/5導通時，在二次侧繞组Ns與電源開關20之間產生電麼 =圖中糊示）。《 VDS與髓s 1G的魏電壓v 可由方程式（3)得知··

Vs = Vds - Vo____________ —___ " (3) 當開關15斷開（turn off)時，輪出雷厭ν 以用於去磁。因此輸出電壓vo__i^去二次側繞組Ns 電路100的輸入端&經耦合通過電阻号 關。切換控制 fin、佳丰，人, 心阻益50和55檢測電壓Vds。二極體 〇,-步齡到二视繞組Ns以加速對電壓I的檢測。另 輕5到功率轉換器的輸出以用於接收輪出電壓V。。 Μ 2 ^^磁^㈣等於去磁通量仏可由下物式得知， e N Ss— / (5) v〇 ^ X 1 CHARGE = — X TDISCHARGE ------- S (6)

VeXTcHAKOH =f；XV〇XTDISCHARGE -------------------- ” Np VE = ^XVS----------------S___________ 其中B為通量密度，Ae為變墨 面=————⑻· area)，T為變壓器的磁化週期（τ ，、機囬面積（cross-section 壓器的繞組的匝數。 e或去磁週期（τ__Ε)，N為變 根據方程式⑺和⑻可獲得 垫态ίο的去磁週期（Tdischarge)。 (9) 200816613 丁 ΏΒΟίΑΚχϊΕ；=--

Vo

x TCHARGE 根據方程式⑻由磁化電壓Vs、去磁電壓 可預測去磁週期（Td麗臟）。根 化週』（TCH刪）

ISCHARGE 可重新以核細㈣^樹⑶MW，切週·

Tdischarge =色8... Vo)

Vo

TcHARGE (10) 根據10的去磁彻（τ_·)產生控制訊號&的 因此，控舰縣的制細細⑼壓_增加而增加。控制替 Sw的啟用週期根據麵器1G磁化週期（Τ_Ε)的減小而減小。除此^ 外，控制訊號Sw的啟用週期根據去磁電壓ν。的增加而減小。 請蒼閱第四圖本發明中切換控制電路⑽的較佳實施例之電路圖。 如圖所示，切換控制電路⑽的輸入電路是由運算放大器110、⑽，二 極體115、125，電壓-電流轉換電路14〇、15〇，阻抗装置1〇1、1〇2和 遲滯緩衝器電路180所組成。運算放大器11()和二極體115形成第一單 位增益緩衝器。參考喊％提供至第—單位增益緩衝器。運算放大器 120和二極體125形成第二單位增益緩衝器。第二單位增益緩衝器通過 阻抗裝置101和102輕合到輸入端S”第一單位增益緩衝器的輸出與第 二單位增益緩衝H的輸出結合在—起而產生訊號Vb。訊號％的最小值受 參考訊號vR箝制。訊號Vb連接到電壓-電流轉換電路15〇以根據輸出電 壓V。產生第一吼唬I2和第三訊號丨3。第二訊號L的最小值箝制於一限 制值。輸入端&產生電壓訊號VA，其連接到電壓—電流轉換電路HO以 根據電壓Vds產生第一訊號h。另外，遲滯緩衝電路18〇耦合到輸入端 S〗以根據變壓器10的磁化週期產生切換訊號S()N。第一訊號h、第二訊 號h、弟二机號L·和切換訊號Son麵合到訊號產生電路200以產生控制 訊號Sw。請參閱第五、六圖，第五、六圖分別為本發明中電壓—電流轉 換電路140和150之較佳實施例的電路圖。請參閱第五圖，電壓連接 200816613 到運异放大器141。運异放大器141連接到電晶體143和電阻器142以 根據電壓VA產生電流Iu”電流Im連接到電晶體145和146以產生第 一訊號h。請參閱第六圖，電壓VB連接到運算放大器151。運算放大器 151連接到電晶體153和電阻器152，以根據電壓Vb產生電流Ii53。電流 I脱連制電晶體155和156以產生電流Il56。電流1156進一步連接到電 晶體157、158和159以用於產生第二訊號h和第三訊號h。因此第一 電流L·根據電壓而產生。第二訊號h和第三訊號h根據電壓％而產 生。

請參閱第七圖本發明的訊號產生電路·的較佳實施例之電路圖。 電容器220用來決定控制訊號Sw的週期。第一開關21〇耦合在第一 ％?卢 w電容謂之間。第二開關咖合在第二訊訊號12=容器= 之間。第一比較器230耦合到電容器220以在電容器22〇的電壓高於第 -參考電壓VR1時，在第-比較器230的輸出端產生第—控制訊號。由 反相裔231和AND閘232形成的輸出電路經耦合以根據第一控制訊號的 啟用和切換訊號^的禁用在AND閘232的輸出端產生第一放電訊號。 切換訊號進-步_合啸卿-卩⑽。第根據切換 訊號Son的啟用而導通。第一放電訊號經耦合以控制 開關215根據第-放電訊號的啟用而導通。第_訊號^用於對電容器 220進行充電。第二訊號L·用於對電容器、22〇進行放電。第三訊號^ 進一步I馬合到第一訊號Ιι以減小第一訊號h的值。 電壓VDS決定第一訊號I!。第一訊號L可以方程式（11)表示為 1丨=ki X -------------------- R142 (11) 輸出電壓V。決定的第二訊號L·和第三訊號l3可以方程式（⑵、⑴） 表示如下： 12 = k2: 工3 = k3: ,Vo Rl52 Vo Rl52 電容器220上的電壓可以方程式（14)表示為 (12)(13)

Vc =

II L· C x Ton =

klx Yds kl x V〇 Rl42 Rh, c 9 xT〇N 200816613 其中kl、k2和k3為常數，例如阻 〜 （14) 益，C為電容器220的電容 几衣置的比率和/或電流鏡的增 220的充電時間），Ru2為電阻哭142的带、π ^ S°N的啟用時間（電容器 阻值。電容器220的放電時間&下^阻值，Rl52為電阻器152的電 T— cxvc CxVn °即工表不為：

- (15) 通過適當選擇！d、k2、k3、Rl4+Ri5 _

可根據方程式⑽和（15)重新整理為方的放電時間T〇FP

Τ Vds Vo T〇FP = KX—Τ：—XT〇N ^ __ Vds Vo ________〜 ^ y Ό ) ·

Vo ss — (16) 10的去磁週期TdiSCHARGE相 ----------------(17) 因此電容器220的放電時間7哪與變壓器 關。去磁週期Tdischarge可以方程式（17)表示為.

Vs 、·

TdiSCHARGE = K X x TcHARGE ------- 其中K為常數。 〆=比較器240搞合到電容謂以用於在電容器22〇的電壓高於 弟二參，電壓VR2時，在第二比較器24Q的輸出端產生第二控制訊號。 由反相益241和AND閘250形成的另-輸出電路經耗合以根據第二控制 说號的啟用以及切換訊號Son的禁用而在AND閘250 ϋ - 放電訊號。控制訊號s，可根據第-放電訊號或第二=== 此實施例中，第二放電訊號用於產生控制訊號Sw。第二參考電壓Vr2高 於第-參考電壓VR1。因此，在變壓器10進行磁化之前，控制訊號&禁 用，且電源開關20斷開。 參看方程式（16)和第八圖的同步整流電路的波形，控制訊號&的 週期由電容器220 (電壓VO的放電時間IW控制。控制訊號Sw的週期 根據電容器220的充電時間Ton的減小而減小。控制訊號的週期根據 輸出電壓Vo的減小而增加。充電時間Ton由切換訊號S〇N的啟用時間來控 制。切換訊號S⑽的啟用時間來控制與磁化週期（Tc_E)相關。 200816613 故本發明實為一具有新顆性、進_生^ 國專利法料mt要件無疑n 產社_者，應符合我 准專利，至感為禱。 意依妹出發明專利申請，祈辦早曰賜 發明實施之n彳=料本發明—較佳實_耐，並制來限定本 ;驗称州__物狀、構造、特徵 所為之均冬交化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範園内。 200816613 【圖式簡單說明】 第一圖為習知具有同步整流器的功率轉換器之電路圖。 第二A與第二B圖分別為連續電流模式和非連續電流模式的波形 圖。 第二圖為包含本發明同步整流電路較佳實施綱切換式功率轉換 器之電路圖。 f ' 第四圖為本發明之切換控制電路之較佳實施例的電路圖。 第五圖和第六圖分別為為本發明之電壓_電流轉換電路之較佳實施 例的電路圖。 '

ί七ιΪίί發明之訊號產生電路之較佳實施例的電路圖。 弟八圖為本發明較佳實施例的同步整流電路的波形圖。

【主要元件符號說明】 10變壓器 30電容器 15開關 40電阻器 55電阻器 100控制電路 110運算放大器 101阻抗裝置 140電壓_電流轉換電路 141運算放大器 143電晶體 146電晶體 20電源開關 45控制電路 25二極體 50電阻器 60二極體 1 〇2阻抗裝置 125二極體 115二極體 120運算放大器 142電阻器 145電晶體 15〇電壓-電流轉換電路 200816613

151運算放大器 153電晶體 156電晶體 158電晶體 180遲滯緩衝器電路 210第一開關 220電容器 231反向器 240第二比較器 250 AND 閘 12第二訊號

Ic充電電流 工143電流 工156電流 NS 二次側繞組 s2輸入端 Sw控制訊號 Vb電壓 V〇輸出電壓 VR1第一參考電壓 Vs磁化電壓 GND接地端 152電阻器 155電晶體 157電晶體 159電晶體 200訊號產生電路 215第二開關 230第一比較器 232 AND 閘 241反向器 I!第一訊號 13第三訊號 Id放電電流 Il53電流 NP —次側繞組 Si輸入端 S〇N切換訊號 vA電壓 Ve電壓 VR參考訊號 VR2第二參考電壓 OUT輸出端 13

Claims (1)

1. 200816613 十、申請專利範圍： 1.種功率轉換裔的同步整流電路，其包括： 電源開關，其輕合到一變壓器以用於整流；以及 …切換控制電路，其根據該變壓器的一磁化電壓、該變壓器的一去磁 電壓和省艾壓為的一磁化週期產生一控制訊號，其中該控制訊號經耦合 乂控制錢源開關’且該控制訊號的—啟用週期與該變壓器的一去磁週 期相關。 r \

   用如申请專利關帛丨項所述之同步整流電路，其中該控制訊號的該啟 織=1 嫌據摘化電壓的增加而增加，該控制訊號麟啟用週期根據該 的4磁化週期減小而減小，該控制減的該啟用週期相應於該 罐電壓的增加而減小。 申Μ專利關帛i項所述之_同步整流電路，其中該切換控制電路 換訊:=:，其產生一第一訊號、一第二訊號、一第三訊號和-切 訊號； 為虎產生電路，其_合該—輸人電路以產生該控制 中及第一訊號與該變壓器的電壓相關，該第二訊號、該第 =仏亥功率轉換器的輪出電壓相關，且該切換訊號根據該變 I裔的該磁化週期而產生。 括：肖專她圍第3項所述的同步整流電路，其中該訊號產生電路包 一電容器； =開關，其轉合在該第-訊號與該-電容器之間； ，一開關，其耦合在該第二訊號與該電容器之間·， 向於一 窜第一比較器，其耗合到該電容器，並在該電容器的電壓 弟一茶考電壓時產生一第—控制訊號；以及 14 200816613 一輸出電路，其經耦合以根據該第一控制訊號的啟用和該切換訊 號的禁用而產生一第一放電訊號； 其中該第一開關根據該切換訊號的啟用而導通，該第二開關根據 该弟一放電訊號的啟用而導通；該第^ —訊號對該電容益進行充電，該 第二訊號對該電容器進行放電，且該第三訊號進一步耦合到該第一訊 號以減小該第一訊號的值。 5·如申請專利範圍第4項所述的同步整流電路，其中該訊號產生電路進 一步包括： 一第二比較器，其耦合到該電容器以在該電容器的該電壓高於— 第二參考電壓時產生一第二控制訊號，其中該控制訊號是根據該第一 放電號或弟^放電訊號而產生。 6·如申請專利範圍第1項所述的同步整流電路，其中該電源開關在該 變壓器磁化之前斷開。 7·如申請專利範圍第3項所述的同步整流電路，其中該第二訊號的最 小值被箝位在一限制值。 8·—種功率轉換器的一同步整流裝置，其包括： 一電源開關，其耦合到一磁性裝置用於整流；以及 一切換控制電路，其根據該磁性裝置的一磁化電壓和該磁性裝置的 一磁化週期產生一控制訊號，該控制訊號經耦合控制該電源開關； 其中該控制訊號的一啟用週期與該磁性裝置的一去磁週期相關。 9.如申請專利範圍第8項所述的同步整流裝置，其中該磁性裝置的一 去磁電壓進一步用於確定該控制訊號的該啟用週期。 10·如申請專利範圍第8項所述的同步整流裝置，其中該控制訊號的該 啟用週期根據該磁化電壓的增加而增加，該控制訊號的該啟用週期根據 該磁性褒置的該磁化週期的減小而減小，且該控制訊號的該啟用週期根 據3去磁電壓的增加而減小。 11·如申請專利範圍第8項所述的同步整流裝置，其中該電源開關在該磁性 裝置磁化之前斷開。 15